虛擬實驗室助力高職院校實訓(xùn)課堂建設(shè)研究

于婷婷，趙良吉

(濰坊工程職業(yè)學(xué)院，山東 青州 262500)

1 研究背景及現(xiàn)狀

隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，高素質(zhì)、高品質(zhì)的技能崗位對人才的需求越來越旺盛。這些都要求高職院校加大對高水平、技能型人才的培養(yǎng)規(guī)格和力度。在職業(yè)院校中，尤其是高職院校的工科專業(yè)，實訓(xùn)課程占比非常高。相比較高等院校的學(xué)生，職業(yè)院校的學(xué)生大部分的工作崗位是生產(chǎn)一線，所以對學(xué)生技能的掌握比理論知識的研究要更高一些。近年來，國家出臺了一系列政策，充分說明高職院校的教學(xué)改革必須立即進(jìn)行，這就包含實訓(xùn)課程教學(xué)改革。早在20世紀(jì)90年代初，我國的高校教師開始探索實訓(xùn)課程的改革辦法，為了促進(jìn)實訓(xùn)課堂信息化水平提升，國內(nèi)部分高校提出應(yīng)用仿真軟件在實驗中可以發(fā)揮較好的作用，創(chuàng)立了基于電路仿真的虛擬技術(shù)仿真實驗室。例如上海交通大學(xué)和清華大學(xué)走在改革的前端，率先建立了虛擬校園模型，并加入了虛擬實驗室和虛擬圖書館，提出陳舊模式的“填鴨式”實踐教學(xué)方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代社會對學(xué)生的需求和期望，還會降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，單一的實驗手段和實驗方法及實驗數(shù)據(jù)造成了千篇一律的實驗報告，學(xué)生的創(chuàng)新性思維受到了限制，不利于學(xué)生個性化發(fā)展。

在理工科專業(yè)中，實驗實訓(xùn)設(shè)備需要投入很大的資金，與此相關(guān)的維護(hù)保養(yǎng)費用也非常高，所以大部分高校只能選擇減少相關(guān)設(shè)備投入。在實訓(xùn)課堂上存在授課教師在一臺實訓(xùn)設(shè)備前演示，所有學(xué)生圍著看，邊看邊忘印象不深刻，等到學(xué)生獨立操作的時候很可能已經(jīng)忘記操作流程，學(xué)習(xí)效率低下。尤其是機電類課程具有一定的危險性，對于220 V或者380 V的電壓相關(guān)知識，教師處于安全考慮只是理論性講解，學(xué)生看不到直觀的效果，學(xué)習(xí)的理論知識得不到檢驗，學(xué)習(xí)效果較差，應(yīng)掌握的知識和技能沒有妥善掌握，浪費了學(xué)習(xí)時間和學(xué)生精力。

從企業(yè)方面來看，企業(yè)需要的是掌握先進(jìn)技術(shù)的人才，企業(yè)設(shè)備更新?lián)Q代較快，與之相反的是高職院校用于實訓(xùn)教學(xué)的設(shè)備配備數(shù)量不足、老舊陳舊可操作性差，導(dǎo)致學(xué)生的動手實踐能力與企業(yè)用人需求有著非常大的差異。畢業(yè)后的學(xué)生到企業(yè)任職，不能直接上崗工作，對新的技術(shù)和設(shè)備不適應(yīng)，需要進(jìn)行長時間的再培訓(xùn)。這樣會使企業(yè)對高職院校培訓(xùn)的人才產(chǎn)生質(zhì)疑，降低了高職院校在企業(yè)中的信譽。

2 建設(shè)虛擬實訓(xùn)課堂的方案

2.1 條件準(zhǔn)備

高職院校要制定相關(guān)的文件和導(dǎo)向，為實訓(xùn)教學(xué)的改革和創(chuàng)新提供政策、資金支持。硬件方面，學(xué)校需要出資配備滿足學(xué)生進(jìn)行實訓(xùn)的相關(guān)實驗設(shè)備、多媒體智能教室、計算機等硬件設(shè)施；軟件方面，學(xué)校需要購買用于相關(guān)課程實驗教學(xué)的針對性仿真軟件。同時，學(xué)校要經(jīng)常組織任課教師進(jìn)行相應(yīng)教學(xué)硬件和軟件操作的培訓(xùn)。

大部分職業(yè)院校教師都是直接從大學(xué)畢業(yè)從事教學(xué)工作，“雙師型”教師較少，也沒有企業(yè)的實踐鍛煉機會。因此，教師要到企業(yè)去鍛煉，深入到技術(shù)一線，增加自身的技能教學(xué)經(jīng)驗，任課前還需要集中培訓(xùn)熟練掌握相關(guān)實訓(xùn)設(shè)備和仿真軟件的使用，會應(yīng)用多媒體課件和現(xiàn)代化教學(xué)手段輔助教學(xué)。課程開始之前要求學(xué)生掌握一定的電腦操作技術(shù)，改變原有的學(xué)習(xí)觀念，會利用互聯(lián)網(wǎng)獲取相關(guān)知識。

2.2 建設(shè)內(nèi)容

2.2.1 課程設(shè)計

更新實訓(xùn)教材和教學(xué)內(nèi)容。相對于理論教學(xué)內(nèi)容而言實訓(xùn)教學(xué)的內(nèi)容更新速度慢、不受重視、參考教材有限。任課教師和編寫教材的編者因為沒有深入企業(yè)一線，最新的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)沒有融入實訓(xùn)內(nèi)容，使高職院校培養(yǎng)的人才與社會需求存在脫節(jié)現(xiàn)象。任課教師可以利用寒暑假到相關(guān)的企業(yè)調(diào)查訪談，了解企業(yè)和用人單位的最新需求，依據(jù)企業(yè)及用人單位所需的技能要求選擇最新具有針對性的教材和教學(xué)內(nèi)容，當(dāng)硬件設(shè)備達(dá)不到時，用軟件仿真代替，使學(xué)生所學(xué)技能與企業(yè)需求保持一致。課程開始之前需要課程小組集體選取并設(shè)計出適合高職院校學(xué)生的實訓(xùn)項目，用于實訓(xùn)課程教學(xué)。

2.2.2 教學(xué)模式

創(chuàng)新實訓(xùn)教學(xué)模式。打破傳統(tǒng)“教師演示，學(xué)生照搬練習(xí)”的實踐教學(xué)模式，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)資源和信息化教學(xué)手段改進(jìn)教學(xué)方法，建立“網(wǎng)絡(luò)+課堂”“虛擬+現(xiàn)實”的實訓(xùn)課程教學(xué)模式，具體實訓(xùn)課學(xué)習(xí)模式如圖1所示。

圖1 實訓(xùn)課學(xué)習(xí)模式

以單相橋式整流電路實驗項目為例，實驗包含虛擬仿真和實驗箱實驗。其中仿真軟件用到的是Protues8，實驗箱為學(xué)校配備的實驗箱。實驗電路輸入的是220 V的交流電壓，通過仿真查看輸出電壓是交流還是直流，測量整流之后輸出的電壓值并與理論課所學(xué)的公式進(jìn)行比較。用Protues8進(jìn)行仿真的實驗電路如圖2所示，示波器所接A通道為輸入信號，B通道為輸出信號。

圖2 單相橋式整流電路仿真電路圖

實訓(xùn)課堂上，教師發(fā)布實訓(xùn)相關(guān)任務(wù)，進(jìn)行簡單的講解和演示。教師還可以提前錄制仿真實驗的視頻傳到學(xué)習(xí)平臺上供學(xué)生參考。學(xué)生進(jìn)行硬件實驗之前需要先用Protues8仿真軟件畫出電路圖，在仿真軟件中對相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行測量和記錄。結(jié)果滿意之后，再選擇合適的器件和測量儀表在實驗箱中進(jìn)行實驗。因為實驗中接觸的是220 V的交流電壓，仿真實驗提高了實驗的熟練度和可行性，降低了實驗的危險系數(shù)。通過對仿真軟件的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，學(xué)生可以正確的使用萬用表，不至于在實驗箱實驗中錯選萬用表的擋位。輸入電壓值的測量需選用交流電壓250 V擋位，變壓器變比為22∶1，則輸出電壓值的測量需選用直流電壓20 V擋位。并且Protues8仿真加電子實驗箱實驗的數(shù)據(jù)加深了對理論公式記憶，理論知識在實訓(xùn)項目中得到更好的鞏固，實現(xiàn)了雙贏的作用，達(dá)到了最佳效果。

單相橋式整流電路實訓(xùn)項目Protues8仿真中示波器所接A通道為輸入信號，信號線為黃色，B通道為輸出信號，信號線為藍(lán)色。從仿真圖中可以很直觀的看出電壓信號由交流變成直流。從右側(cè)旋鈕區(qū)可以很直觀的觀察出輸入電壓和輸出電壓的幅值大小。通過仿真實驗的練習(xí)，加深了對實訓(xùn)項目的認(rèn)知，提高了對硬件電壓測量的準(zhǔn)確性，如圖3所示。

圖3 Protues8示波器仿真波形圖

2.3 課堂評價

好的學(xué)習(xí)和教學(xué)效果離不開好的評價手段，改革實訓(xùn)課堂考核評價方案尤為重要。用多元長期評價機制代替一次定結(jié)果的考核評價方式，對學(xué)生的考核不僅是實際設(shè)備操作的考核，也包括仿真軟件的考核及信息化素養(yǎng)的考核，使考核評價實時貫穿在學(xué)生的整個實訓(xùn)學(xué)習(xí)過程之中。學(xué)生的實訓(xùn)技能考核不再只包含單純的連線或者拆裝，還要包括仿真軟件中的創(chuàng)新性實驗。在這種評價方式下，學(xué)生在平時的實訓(xùn)課學(xué)習(xí)過程中更加的積極，也更愿意跟教師交流，而不是只在考試之前突擊學(xué)習(xí)。

通過仿真軟件還可以對實訓(xùn)項目進(jìn)行升級，如在整流電路中再并聯(lián)470 μF的電容器進(jìn)行通交流隔直流的濾波電路，再用仿真示波器對輸出波形進(jìn)行波形的顯示和測量，學(xué)生加深了對該實訓(xùn)項目的認(rèn)知，并對后續(xù)的課堂內(nèi)容進(jìn)行了預(yù)習(xí)，對更好地學(xué)習(xí)濾波電路起到了積極的作用。

3 總結(jié)

虛擬仿真實驗室的助力使高職院校的實訓(xùn)課堂教學(xué)變得豐富多彩，教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)方式都變得多元化。

1)提高了實訓(xùn)課程的信息化水平，課堂變得充滿活力。傳統(tǒng)實訓(xùn)課堂是教師演示，學(xué)生生硬地照搬練習(xí)，信息化水平低。虛擬實訓(xùn)室加網(wǎng)絡(luò)平臺資源的助力使實踐課堂充滿生機，學(xué)生需要針對任務(wù)問題的解決方案進(jìn)行討論、合作完成實驗項目。學(xué)生課前可以觀看教師上傳的實驗演示視頻并模擬仿真，同時進(jìn)行線上交流，課中有目的的進(jìn)行練習(xí)、答疑，課后還可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺交流學(xué)習(xí)心得，利用仿真軟件實現(xiàn)對課堂實驗的鞏固和提升。

2)突破了硬件設(shè)備局限性，使學(xué)生的專業(yè)技術(shù)水平能適應(yīng)崗位需求。企業(yè)的技術(shù)比較先進(jìn)，高職院校的設(shè)備更新步伐不可能完全同步。高職院校主要是培養(yǎng)能夠適應(yīng)崗位需求的技能型人才，這就要求高職院校培養(yǎng)的學(xué)生必須要掌握企業(yè)和用人單位所需技術(shù)。虛擬仿真解決了設(shè)備短缺和技術(shù)落后帶來的學(xué)生做實驗不方便的困難。學(xué)生只需利用計算機就能夠進(jìn)行仿真實驗。通過教師傳到平臺上的實訓(xùn)教學(xué)學(xué)習(xí)視頻，學(xué)生可以隨時模擬仿真。通過虛擬仿真軟件的多次練習(xí)，增加了學(xué)生對實驗操作的熟練程度，提高了技術(shù)水平，進(jìn)一步深化了對理論知識的理解。

3)深化了以學(xué)生為中心的教學(xué)模式變革，提升了學(xué)生的信息現(xiàn)代化技術(shù)水平。實訓(xùn)課程教學(xué)采用網(wǎng)絡(luò)加課堂、軟件加硬件、討論加答疑的模式進(jìn)行，學(xué)生在課前、課中、課后都可以隨時觀看實驗操作視頻，實時交流討論，利用軟件進(jìn)行仿真練習(xí)，學(xué)生可以根據(jù)自身認(rèn)識選擇器件，加深對實驗的認(rèn)識和創(chuàng)新，不同的器件學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)搜索進(jìn)行對比區(qū)別，提高了學(xué)生自身的信息化利用水平和主動接受學(xué)習(xí)知識的能力。

虛擬實驗室助力下的實訓(xùn)課堂使傳統(tǒng)的實訓(xùn)課堂教學(xué)得到改革，突破了硬件設(shè)備局限性，使學(xué)生的專業(yè)技術(shù)水平能適應(yīng)企業(yè)崗位需求并可以掌握最新的技術(shù)和能力，有效提高了實訓(xùn)課程的信息化水平，使學(xué)生和教師的動手能力及運用信息化的能力都顯著提升，實訓(xùn)課堂也由沉悶變得充滿活力。在虛擬實驗室的助力下，實訓(xùn)課程教學(xué)采用線上線下的模式進(jìn)行，深化了以學(xué)生為中心的教學(xué)模式變革，提升了學(xué)生的信息現(xiàn)代化技術(shù)水平，促進(jìn)了學(xué)生的長期學(xué)習(xí)和深遠(yuǎn)發(fā)展。學(xué)生不再因為沒有實訓(xùn)設(shè)備而難以完成實訓(xùn)，大量的訓(xùn)練可以通過仿真進(jìn)行，提高了硬件設(shè)備操作的熟練度，使實驗在規(guī)定時間內(nèi)更容易完成。提高了實訓(xùn)項目完成的成功率和實訓(xùn)項目完成的效率，所有的學(xué)生都可以在有限的課堂時間里參與實訓(xùn)項目，對教學(xué)效果和質(zhì)量的提升有積極的影響和良好的推動力。